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不安定土砂出流潛勢圖 (Potential map of the unstable sediment outflow points)

圖1、歷年事件型崩塌目錄崩塌面積變化
緣起
為評估全臺鐵公路橋梁受不安定土砂衝擊的潛勢， 本產品「不安定土砂出流潛勢圖」(簡稱不安定土砂潛勢圖)係以全臺省道及臺鐵橋樑為分析目標， 並以集水區面積100公頃作為不安定土砂出流點最小劃設基準。經分析共劃設325處不安定土砂出流點， 並採「殘坡土砂」、「河道土砂」、「新生崩塌」為評估指標，計算集水區內不安定土砂量，並分析各土砂量的危害度， 得到各不安定土砂出流點的潛勢值和潛勢分級。
方法
不安定土砂出流點的潛勢計算，包括：
  1. 殘坡土砂（Unstable Sediment on Slope, USS）
    殘坡土砂潛勢值（PUSS）= 土砂量 × 活動性 × 危害度
  2. 河道土砂（Unstable sediment on River, USR）
    河道土砂潛勢值（PUSR）= 土砂量 × SPI分級 × 危害度
  3. 新生崩塌（Landslide Sediment on Slope, LSS）
    新生崩塌土砂潛勢值（PLSS）= 土砂量 × 年度折減係數 × 危害度
    將上述三項因子的潛勢值加總，得到總潛勢值。
    不安定土砂總潛勢值（Ptotal, Pt）= 殘坡土砂潛勢值 + 河道土砂潛勢值 + 新生崩塌土砂潛勢值
圖1、不安定土砂潛勢分析示意圖
圖1、不安定土砂潛勢分析示意圖
一、殘坡不安定土砂潛勢值
  • PUSS殘坡不安定土砂潛勢值代表的意義，坡面殘坡土砂往中下游運移至集水區出口或保全對象的潛勢，計算式上考慮集水區內所有的殘坡土砂量Vs、活動性權重Wact、危害程度Hd1
  • Vs：殘坡土砂量 [m3]，透過崩塌體積-面積公式VL = 0.1025 × AL1.401計算。
  • Wact：殘坡土砂活動性權重，代表活動性越高，其造成災害可能性越高，分別將活動性高、中、低，給予0.9、0.4、0.2的權重值。
  • Hd1：殘坡土砂的危害度 [-]，根據農村水保署（2024）所定義的方法，計算方法是以該單元至出流點的高程差，再除以該單元到出口的水平距離，意義是該單元土砂運移至集水區出流點的可能性，野溪坡度越陡峭、或土砂越接近出流點時，土砂越可能流出集水區，衝擊中下游的保全對象，如圖2所示。計算流程如圖3所示，以內政部113年版的20公尺數值地形模型，配合GIS產製單流向法（D8 algorithm）計算各網格的流向，從各殘坡土砂中心點開始順著流向往下游流動，直到流動至集水區出口結束，最終得到累加水平流路距離，並且計算各殘坡中心點（如圖3的1723 m）和集水區出口的高程差（如圖3的1,723 m - 682 m = 1,041 m），將高程差除以累加水平流路距離（如圖3的1,041 m / 9,190 m = 0.113），得到各個殘坡土砂的危害度。
殘坡不安定土砂潛勢值算式 圖2、不安定土砂危害度計算的示意圖
圖2、不安定土砂危害度計算的示意圖
圖3、殘坡土砂的危害度計算流程的示意圖
圖3、殘坡土砂的危害度計算流程的示意圖
二、河道不安定土砂潛勢值
  • PUSR河道不安定土砂潛勢值的意義，堆積於河道中土砂往中下游運移至集水區出口或保全對象的潛勢，考慮集水區內所有的河道土砂量Vr、溪流功率指數WSPI的權重、危害程度Hd2
  • PUSR：河道不安定土砂潛勢值 [m3]。
  • n：集水區內的河道土砂的數量，根據河道土砂分析結果，套疊21,000個 QPE網格（解析度1.3 km × 1.3 km）和集水區範圍，分割出河道土砂單元，對應出集水區內的河道土砂數量。
  • Vr：河道土砂量 [m3]，以根據最近一期（例如2024年）遙測影像數化的河道邊界，內插河道的理論高程，再與第一期DEM（例如102年）相減計算河道中的堆積量（圖4），其計算結果代表102年至113年間的河道土砂量。
  • WSPI：溪流功率指數的權重 [-]，根據溪流功率指數的自然對數：Ln(SPI) = Ln (集水面積 × 坡度)，當SPI數值越高，代表河流的泥砂搬運能越強，越可能將土砂搬運至集水區出口。當溪流功率指數的自然對數介於< 12、12-13、13-13.75、13.75-14.5、≥ 14.5時，分別給予0.2、0.4、0.6、0.8、1.0的權重。
  • Hd2：河道土砂的危害度 [-]，其定義與計算方法與前述的殘坡土砂的危害度相似，差別僅在於需先將河道單元，搭配QPE網格（解析度1.3 km × 1.3 km），分割成較小的河道單元後，較能代表各土砂其空間位置的特性（圖5）。
  • 接著，將各河道單元的土砂量（Vr）、溪流功率指數的權重（WSPI）、河道土砂的危害度（Hd2）相乘，得到各河道單元的不安定土砂潛勢值。最後，將集水區內的河道不安定土砂潛勢值加總，得到河道不安定土砂潛勢值（PUSR）。
圖4、河道範圍不安定土砂判釋方法與估算示意圖
圖4、河道範圍不安定土砂判釋方法與估算示意圖
圖5、QPE網格切割河道單元土砂量
圖5、QPE網格切割河道單元土砂量
三、新生崩塌土砂潛勢值
  • PLSS新生崩塌土砂潛勢值的意義，考慮邊坡新生崩塌地，其土砂量往中下游運移至集水區出口或保全對象的潛勢。 新生崩塌資料係根據近五年的事件型崩塌目錄判釋成果，配合崩塌體積-面積公式計算土砂量Vs，根據新生崩塌的年度給予不同的折減係數Wyear，並考慮各新生崩塌的危害度Hd3
  • PLSS：新生崩塌不安定土砂潛勢值 [m3]。
  • n：集水區內新生崩塌的數量，近五年的事件型崩塌目錄判釋成果（如圖6），例如114年度的分析則採用109-113年度的事件型崩塌目錄，挑選面積大於等於2公頃的新生崩塌，套疊集水區圖層以挑選出集水區內的新生崩塌土砂數量；
  • Vs：新生崩塌土砂量 [m3]，透過崩塌體積-面積公式VL = 0.1025 × AL1.401計算。
  • Wyear：新生崩塌的年度折減係數 [-]，其意義為較新的崩塌的活動性較高，且殘存於坡面上的不安定土砂數量較多；越舊崩塌活動性較低，且隨時間增加，部分土砂已運移至出流點下游或主流。折減係數參考農村水保署之土石流潛勢溪流的有效累積雨量，以0.7為折減係數，根據事件型崩塌目錄的年代以0.7的（n年前）的次方計算，各年度新生崩塌的年度折減係數如表1所示。
新生崩塌土砂潛勢值算式
表1、新生崩塌的年度折減係數
事件型崩塌
目錄年度		 與基準（114年）
年度差距		 計算式
0.7(n年前)		 新生崩塌
年度折減係數
113年 1年 0.71 0.70
112年 2年 0.72 0.49
111年 3年 0.73 0.34
110年 4年 0.74 0.24
109年 5年 0.75 0.17
圖6、109-113年事件型崩塌目錄 (以立霧溪流域為例)
圖6、109-113年事件型崩塌目錄 (以立霧溪流域為例)
四、劃設不安定土砂出流點
不安定土砂出流點係以全台省道及台鐵橋梁為分析標的，114年共劃設325處不安定土砂出流點，相關工作流程如圖5所示，劃分依據與實施方法說明如下：
  1. 以111年版不安定土砂集水區潛勢圖所挑選一級河的省道及台鐵橋樑為標的，劃設出流口共249處。
  2. 以上游存在殘坡土砂或新生崩塌的省道及台鐵橋樑為出流口。上游包含殘坡土砂者共56處；上游包含新生崩塌者共20處，共76處。
  3. 鄰近的兩條以上橋樑合併為同一個出流點。
  4. 跨越多個河流的單一橋樑合併為同一個出流點。
  5. 根據每個出流點位置，配合內政部20公尺數值高程模型(DEM)，獨立劃設各出流口的上游集水區範圍。
  6. 出流點的上游集水區最小面積為100公頃。
圖7、不安定土砂出流點範圍的劃設流程
圖7、不安定土砂出流點範圍的劃設流程
圖8、不安定土砂出流點劃設(以玉穗溪為例)
圖8、不安定土砂出流點劃設(以玉穗溪為例)
結果與討論
114年不安定土砂出流潛勢圖
根據上述分析方法，完成(1)殘坡不安定土砂潛勢值(Unstable Sediment on Slope, USS)、(2)河道不安定土砂潛勢值(Unstable sediment on River, USR)、 與(3)新生崩塌土砂潛勢值(Landslide Sediment on Slope, LSS)，以及不安定土砂出流點及其集水區。將各個集水區之潛勢值加總，得到不安定土砂出流點潛勢值，數值的單位為立方公尺。
根據不安定土砂出流的數值頻率分布，將潛勢等級分為五類，分別為：
低潛勢值：Ln(Pt/Area) < 1.0；
中潛勢值：1.0 ≤ Ln(Pt/Area) < 2.4；
中高潛勢值：2.4 ≤ Ln(Pt/Area) < 3.6；
高潛勢值：3.6 ≤ Ln(Pt/Area) < 5.5；
極高潛勢值：Ln(Pt/Area) ≥ 5.5， 各分級的數量統計結果如表2所示、計算結果如圖9所示。
藉由本研究所提出之方法，可以快篩找出宜優先關注之不安定土砂區位(表2) 。結果顯示，325處不安定土砂出流點中，屬高潛勢以上者計39處(12.0%) 。
表2、不安定土砂潛勢分級表
潛勢分級 P值 分群 各分級數量
處數 %
低 0.0～0.9 1 213 65.5
中 1.0～2.4 2 32 9.9
中高 2.4～3.6 3 41 12.6
高 3.6～5.5 4 26 8.0
極高 ≥5.5 5 13 4.0
合計 325 100%
圖9、114年不安定土砂出流潛勢圖
圖9、114年不安定土砂出流潛勢圖
後續應用
  • 根據研究結果，集水區內土砂的分布是評估不安定土砂潛勢的重要指標。
  • 運用高解析度衛星影像與數值地形模型，針對不同集水區的土砂分布進行精確分析，並依據殘坡、河道不安定土砂、近五年事件型崩塌目錄等因子，建置不安定土砂潛勢模型，以評估不安定土砂出流潛勢高低。
  • 不安定土砂潛勢圖能夠有效識別出高風險區域，為防災工作提供具體依據。更有利於相關部門可以優先針對風險高的集水區進行防災規劃，降低土砂災害對基礎設施和居民生命財產的威脅。
更多資訊

可直接透過BigGIS圖台展示全114年不安定土砂出流潛勢圖成果，快速套疊各式相關圖層(圖10)。

※BigGIS路徑：基礎圖層/核心圖層/防災資訊/114年不安定土砂出流潛勢圖

114年不安定土砂出流潛勢圖： 檔案下載

圖10、BigGIS展示不安定土砂集水區潛勢分布
圖10、BigGIS展示不安定土砂集水區潛勢分布
參考資料
  1. 農業部農村發展及水土保持署. 2024. 113年土砂災害空間資訊蒐集判釋與變遷分析. 南投，台灣: 農業部農村發展及水土保持署.
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